Исследование технологического процесса пайки бессвинцовыми припоями с целью повышения надежности электронной аппаратуры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Фэн Лэй

• Фэн Лэй
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фэн Лэй

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ БЕССВИНЦОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ,

ПРИМЕНЯЕМОЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЭА.

1.1. Необходимость отказа от свинца.

1.2. Законы, регламентирующие переход на бессвинцовую технологию

1.2.1. Директивы, действующие в Европе.

1.2.2. Отношение к свинцу в США.

1.2.3. Бессвинцовая технология в других странах.

1.3. Требования к переходу на бессвинцовую технологию.

1.3.1. Отличие бессвинцовой технологии от пайки свинцовыми припоями.

1.3.2. Технологические требования.

1.3.3. Требования к бессвинцовым припоям.

1.3.4. Требования к материалам и технологиям печатных плат при бессвинцовой пайке.

1.3.5. Финишные покрытия.

1.3.6. Материалы корпусов компонентов.

1.4. Существующие материалы, используемые в бессвинцовой технологии.

1.4.1. Аиализ физико-химических свойств материалов, используемых в 23 бессвинцовом технологическом процессе.

1.4.2. Бессвинцовые припои.

1.4.3. Бессвинцовые паяльные пасты.

1.4.4. Флюсы, используемые при бессвинцовой пайке.

1.5. Дефекты, возникающие при пайке бессвинцовыми припоями.

1.5.1. Плохое смачивание выводов ЭРЭ, микросхем и контактных площадок.

1.5.2. Образование перемычек и шариков.

1.5.3. Пустоты, образованные при бессвинцовой пайке.

1.5.4. Эффект "надгробного камня".

1.5.5. Отслоение галтели.

1.5.6. Зернистая структура поверхности паяного соединения.

1.5.7. Обобщение! характеристик требуемого профиля пайки.

1.6. Влияние конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на прочность паяных соединений.

1.7. Выводы по первой главе.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

2.1. Припои, выбранные для проведения исследований.

2.2. Физико-механические характеристики выбранных припоев.

2.2.1. Прочностные характеристики выбранных припоев.

2.2.2. Смачиваемость выбранных припоев.

2.3. Методика проведения эксперимента на растяжение паяных соединений.

2.4. Методика проведения эксперимента для исследования структуры паяных соединений.

2.5. Выводы по второй главе.

3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ИХ МИКРОСТРУКТУРЫ.

3.1. Расчёты прочностных механических параметров паяных соединений.

3.2. Сравнение прочностных соединений, паянных свинцовыми и бессвинцовыми припоями.

3.3. Сопоставление механических характеристик соединений, паянных бессвинцовым припоем и пастой.

3.4. Различие прочностных характеристик паяных соединений с применением разных флюсов.

3.5. Влияние технологических параметров процесса на механические характеристики соединений паяных бессвинцовым припоем.

3.6. Исследование микроструктуры паяных соединений.

3.6.1. Анализ физико-химических составов интерметаллического соединения.

3.6.2. Влияние температуры пайки на микроструктуру паяпых соединений.

3.6.3. Влияние длительности пайки на микроструктуру паяных соединений.

3.7. Выводы по третьей главе.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ПАЙКИ БЕССВИНЦОВЫМ ПРИПОЕМ.

4.1. Необходимость создания математической модели технологии пайки бессвинцовыми припоями.

4.2. Ортогональное планирование эксперимента по моделированию технологического процесса.

4.3. Математическая модель процесса пайки.

4.4. Проверка модели на адекватность.

4.5. Отработка технологического процесса пайки бессвинцовым припоем на базе математической модели.

4.6. Доверительный интервал значения параметра минимизации.

4.7. Вывод по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование технологического процесса пайки бессвинцовыми припоями с целью повышения надежности электронной аппаратуры»

В настоящее время промышленность всего мира переживает очередной этап преобразований, связанных с ужесточением экологических стандартов — происходит всеобщий отказ от свинца, что влечёт необходимость бессвинцовой пайки при изготовлении радиоэлектронной техники.

Свинец является токсичным тяжелым металлом. В 2002-ом году Европейское Сообщество одобрило WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment — Положение об отходах электрического и электронного оборудования) и RoHS (Reduction of Hazardous Substances -Положение о применении некоторых опасных веществ в электрическом и электронном оборудовании). Эти положения касаются ограничения применения таких тяжелых металлов как свинец, кадмий, ртуть и шестивалентный хром, а также различные бромидные соединения. С 1 июля 2006 года эти вещества были запрещены к использованию в производстве электронной аппаратуры (далее - ЭА) в Европейском Сообществе.

Пайка — основной метод соединения компонентов при производстве ЭА. Паяные соединения имеют сложную многокомпонентную структуру и их механические свойства зависят от собственной прочности припоя в шве, прочности связи припоя с металлом припаиваемых элементов, прочности интерметаллических соединений, образующихся на границе между припоем и металлом основы и прочности металлов соединяемых элементов после воздействия на них расплавленного припоя.

Одной из самых важных проблем при переходе на бессвинцовую технологию является обеспечение надежности бессвинцовых паяных соединений по сравнению с обычиыми свинецсодержащими. Для свинецсодержащих припоев накоплен большой опыт и обширные данные по исследованию свойств соединений и электронных узлов в течение долгого срока эксплуатации, исследование бессвинцовых припоев находится на начальной стадии.

Повышение качества продукции является одной из важнейших задач современного производства. При отказе от свинецсодержащего припоя и переходе на бессвинцовые припои необходимо избежать резкого увеличения количества дефектов паяных соединений. Применение бессвинцовых припоев приводит к изменению технологии пайки, потребуется корректировка режимов пайки и доработка технологического оборудования. В этой связи, изготовители ЭА начинают свои исследования по поиску подходящих материалов и технологий без применения свинца. В первую очередь возникла необходимость проведения комплексных испытаний бессвинцовых паяных соединений на прочность и исследования их микроструктуры.

В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям физико-химических свойств бессвинцовых материалов, рекомендуемых к применению в производстве ЭА. Существующие бессвинцовые припои разделены на пять основных групп, среди них самыми перспективными припоями являются сплавы 8п/Си, 8п/А§/Х и 8п/2п/Х. Основываясь на результатах многочисленных исследований, крупнейшие ассоциации производителей электронной техники рекомендуют в качестве альтернативы традиционным припоям сплавы 8п/А§/Си для пайки оплавлением и 8п/Си для пайки волной.

Особое место занимает исследование механических характеристик припоя 8п/Си и соединений паяных с его применением, так как в научно-технической литературе приводятся противоречивые сведения о результатах его использования.

Описание технологического процесса бессвинцовой пайки в математической форме (математическое" моделирование) позволяет нам корректно, с научной точки зрения, разрабатывать, анализировать и повышать надежность продукции.

В представленной диссертационной работе основное внимание уделено вилянию технологических факторов на прочностные характеристики соединений, паяных с применением бессвинцовых припоев.

В связи с этим, Целью работы является исследование факторов влияющих на прочностные характеристики соединений, паяных бессвинцовыми припоями и моделирование технологического процесса бессвинцовой пайки.

Задачи, разрешённые в данной работе:

1. Разработана методика проведения испытаний на растяжение согласно с ГОСТ 28830-90, которая может применяться при исследованиях как прочностных характеристик рекомендуемых припоев, так и при анализе технологии процесса пайки.

2. Установлено, что прочность на растяжение соединений, паянных 99С (бессвинцовый припой 8пО,7Си) ниже, чем соединений паяных ПОС-61 (свинецсодержащий припой) на 10-12% - такое расхождение для промышленной технологии сборки ЭА можно считать несущественным.

3. Обнаружено, что предел прочности соединений, паянных 99С 502 (трубчатый бессвинцовый припой 8пО,7Си, не требующий отмывки) снижается при длительной выдержке пайки, которая должна быть меньше 15 сек. Повышение среднего квадратного отклонения (СКО), характеризующее стабильность процесса пайки, возрастает с повышением температуры пайки выше 250 °С.

4. Исследованы спаи, в которых обнаружено соединение, имеющее фазу т| (8п5Сиб), обладающую низкой симметрией, что приводит к хрупкости. При оптимальной температуре пайки 250 °С, с повышением длительности пайки толщина интерметаллических соединений возрастает.

5. Получена математическая модель технологического процесса, на основе которой обработан процесс пайки бессвипцовым припоем 99С 502, в результате чего обнаружено влияние технологического процесса на СКО. На основе математической модели рекомендуются режимы пайки исследуемым бессвинцовым припоем - температура пайки 250 °С, длительность пайки в пределах 5-15 сек. с учетом требования паяемого объекта и тип флюса Crystal 502.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проанализированы достоинства и недостатки существующих бессвинцовх припоев , паст и флюсов, применяемых при пайке бессвинцовыми припоями. Исследованы особенности технологии пайки бессвипцовым припоем.

2. Изучены дефекты, возникающие при пайке бессвинцовыми припоями, и разработаны методы их предотвращения.

3. Разработана методика проведения эксперимента па растяжение паяных соединений, исследован предел прочности на разрыв соединений, паянных исследуемыми припоями и пастой при комнатной температуре, с помощью сканирующего электронного микроскопа и изучена микроструктура этого соединения.

4. Разработан метод планирования эксперимента по моделированию технологического процесса и создана математическая модель технологического процесса пайки бессвинцовым припоем.

5. Представлены рекомендации для технологического процесса пайки бессвинцовыми припоями указанных типов.

Автор защищает:

1. Разработанные существующие бессвинцовые припои, пасты и флюсы, применяемые при пайке бессвинцовыми припоями.

2. Разработанную методику проведения эксперимента на растяжение паяных соединений и их микроструктуры.

3. Анализ полученных данных лабораторных испытаний.

4. Полученную математическую модель технологического процесса пайки бессвинцовым припоем.

5. Представленные рекомендации для производства ЭА с применением бессвинцовой пайки.

Работа была выполнена на кафедре «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автор благодарит научного руководителя к.т.н., профессора Чеканова А.Н. за постоянную помощь в работе, полезные советы и поддержку на протяжении всех этапов исследования. Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ им. Н.Э. Баумана, в особенности: к.т.н., доценту Макарчуку В.В. за помощь в выполнении пайки, к.т.н., доценту Журавлевой Л.В. за ценные консультации по вопросам моделирования, доценту Шерстневу В. В. за проверку диссертации. Хочется особо поблагодарить Букеткина Б.В., сотрудника лаборатории кафедры <Прикладная механика> РК-5 МГТУ им. Н. Э. Баумана за неоценимую помощь при проведении испытаний прочности на растяжение.

Выражаю также свою особую благодарность д.т.н., профессору Шахнову В.А., заведующему кафедрой «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ им. Н.Э. Баумана за поддержку и ценные советы.

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Фэн Лэй

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлено, что среди существующих бессвинцовых припоев самыми перспективными припоями являются сплавы Sn/Cu, Sn/Ag/X. На основании результатов многочисленных исследований производителей электронной техники в данной работе в качестве альтернативы традиционным припоям исследовались сплавы, которые рекомендуются для пайки оплавлением -Sn/Ag/Cu и для пайки волной - Sn/Cu.

2. Разработана методика проведения испытаний па растяжение согласно ГОСТ 28830-90. Представленная методика является эффективной и экономичной, она может применяться при изучении как прочностных характеристик рекомендуемых припоев, так и при анализе технологии процесса пайки.

3. Установлено, что прочность на растяжение соединений, полученных припоем марки 99С ниже, чем соединений, изготовленных припоем ПОС-61 на 10-12%. Такое расхождение для промышленной технологии сборки ЭА можно считать несущественным. Соединения таким бессвинцовым припоем обладают такими же прочностными характеристиками, как с эвтектическим припоем Sn/Pb, что позволяет применять данный припой в качестве замены свинецсодержащих припоев в производстве ЭА.

4. Применение флюса занимает важное место в технологическом процессе пайки, позволяя улучшать стабильность паяных соединений. Исследовалось влияние флюса Crystal 502 при пайке припоем 99С, который значительно повышает стабильность и надёжность соединений. При применении канифоли в качестве флюса стабильность соединений, паяных припоем 99С хуже, чем с применением флюса Crystal 502.

5. Исследованы спаи, в которых обнаружено соединение, имеющее фазу f| (Sn5Cu6), обладающее низкой симметрией, что приводит к хрупкости спая. Установлено, что одним из факторов, снижающих прочность паяных соединений, является увеличение толщины слоя интерметаллического соединения. При рекомендуемой температуре пайки 250 °С с повышением длительности процесса пайки толщина интерметаллических соединений возрастает, в результате снижается прочность паяных соединений.

6. Получена математическая модель технологического процесса, на основе которой отработан процесс пайки бессвинцовым припоем 99С 502, в результате чего обнаружено влияние технологических процессов на стабильность паяных соединений. Сравнение результатов расчетов на основе использования модельных представлений с экспериментальными данными исследований свидетельствует об адекватности предлагаемой математической модели. На основе математической модели рекомендуются режимы пайки исследуемым бессвинцовым припоем: температура пайки 250 °С, длительность пайки в пределах 5-15 сек. с учетом требования паяемого объекта, тип флюса Crystal 502.

7. Установлено, что соединения, паяные бессвинцовым припоем с применением рекомендованных режимов, обладают приемлемыми прочностными характеристиками по сравнению со свинецсодержащими, позволяющими обеспечить надёжность ЭА в эксплуатации. В отличие от других бессвинцовых припоев применение такого припоя уменьшает затраты на производство ЭА. Вследствие нетоксичности меди бессвинцовая пайка гарантирует безопасность производства и обеспечивает соблюдение экологических норм при производстве ЭА.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фэн Лэй, 2008 год

1. Ивасык А., Рощук Д., Коваль Ю. Бессвинцовая пайка в подробностях // Инженерная микроэлектроника. -2005. —№6. -С. 24-29.

2. Suganuma К. Lead and the Electronic Industry: A Proactive Approach // Journal of National Center for Manufacturing Sciences. —1995. —№5. -P. 50-54.

3. Вотипцев A.M. Современные материалы для бессвинцовой технологии // Подготовка к введению европейских директив RoHS и WEEE: Тез. докл. Всерос. конф. -Москва, 2006. -С. 30-34.

4. Шапиро Лев. Директива RoHS после 1 июля 2006 г. // Электронныекомпоненты. -2006. -№9. -С. 23-24.i

5. Turbini L.J., Bent W.R., Ready W.J. Impact of Higher Melting Lead-free Solders on the Reliability of Printed Wiring Assemblies // SMTA International. -Chicago, 2000. -P. 20-24.

6. Петер Биокка. Дефекты бессвинцовой пайки // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. —2005. —№1. -С. 1-4.

7. Справочник по пайке: Справочник / Под ред. И.Е.Петрунина. М.: Машиностроение, 1984. -С. 298-299.

8. Медведев A.M. Требования к материалам и технологиям печатных плат при бессвинцовой пайке // Производство электроник: технологии, оборудование, материалы. -2006. -№2. -С. 31-32.

9. Zeng К. Influence of Solder Reaction Across Solder Joints // 6th TRC. -Austin, 2003.-P. 378-392.

10. Армии Ран, Рольф Дием. Бессвинцовое производство компоненты и покрытия // Подготовка к введению европейских директив RoHS и WEEE: Тез. докл. Всерос. конф. -Москва, 2006. -С. 34-36.

11. Медведев A.M. Проблемы технологий бессвинцовой пайки // Технология приборостроения. -2006. —№3. -С. 3-9.

12. Рягузов А.В. Модификация процесса бессвинцовой пайки кристаллов к основаниям корпусов силовых полупроводниковых приборов: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Воронеж, 2006. -16 с.

13. Нинг-Ченг Ли. Технология пайки оплавлением, поиск и устранение дефектов: поверхностный монтаж, BGA, CSP и FLIP CHIP технологии. М.: Изд-во Технологии, 2006. - 391 с.

14. Fulong Zhu. Honghai Zhang. Rongfeng Guan. Investigation of microstructures and tensile properties of a Sn-Cu lead-free solder alloy // J Mater Sci. Mater Electron. -2006. -№17. -P. 379-384.

15. Zhao J, Miyashita Y, Mutoh Y. Fatigue crack growth behavior of 96.5Sn-3.5Ag lead-free solder // Int J Fatigue, -2004. -№23. -P. 723-731.

16. Ahmed S, Islam M. N., Chan Y.C. Interfacial reactions of BGA Sn-3.5%Ag-0.5%Cu and Sn-3.5%Ag solders during high-temperature aging with Ni/Au metallization // Mater Sci Eng. -2004. -№113. -P. 184-189.

17. Liu Xiao-bo, Wang Guo-yong. The Surface Mount joint strength and Melting Range of Lead-free Solders // Electronic Components and Materials. -2002.-Vol.21, №4.-P. 18-19.

18. Григорьев В. Бессвинцовая технология теребование времени или прихоть законодателей от экологии? // Технологии и Материалы. -2001. -№6. -С. 43-47.

19. Huang В. L., Lee С. Prospects of Lead Free Alternatives For Reflow Soldering//Proc. of IMAPS'99. Chicago, 1999.-P. 105-108.

20. Roos-Kozel B. L. Parameters Affecting the Incidence of Pad Briding in Surface Mounted Device Attachment // ISHM. 1983. - Vol.6(l). - P. 251-255.

21. Lee N. C., Evans G. P. Solder Paste Meeting the SMT Challenge // SITE Magazine. - 1987. -№6. -C. 52-58.

22. Бере Соня. Методы анализа с целью квалификации бессвинцовых паяных узлов // Технологии в электронной промышленности. —2008. -№1. -С.58-60.

23. Suganuma К. Mechanism and Prevention of Lift-off in Lead-free Soldering // IMAPS. -Boston, 2000. -P. 330-335.

24. Кузнецов O.A., Погалов А. И., Сергеев B.C. Прочность элементов микро электронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1990. - 142 с.

25. Кузнецов О.А., Погалов А. И. Прочность паяных соединений. — М.: Машиностроение, 1987. 112 с.

26. Yan Y., Jiang Х.Н., Zhang J.Z.,Xu J.Y.High Performances Sn-Cu Electronic Lead-free Solder // Electronic Components & Materials. -2004. -№4. -P. 54-56.

27. Shang Yangeng, Sun Daqian, Lang Bo. Effects of intermetallic compounds on the properties of Sn-Ag-Cu Lead-free solder joints // Journal of Jilin University / Engineering and Technology Edition. —2006. — Vol 36, №6. -P. 846850.

28. Zhao Xiaoyan, Zhao Maiqun, Bai Yanxia. Mechanical properties and practical properties of Sn-Ag-Cu Lead-free solder alloys // Electronic Components & Materials. -2006. -№10. -P. 30-33.

29. Gu Xiaoyan, Qu Wenqing, Zhao Haiyun. Investigation on the Wetability of Sn-Cu Lead-free solder in electronic packaging // Semiconductor Technology. -2006.-№5.-P. 337-349.

30. Моисеев В.А. Технология выполнения паяных соединений. Основы технологии пайки / Под ред. С.П. Половников. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.-4.1.-47 с.

31. Yoshiyuki Osawa, Wang Jun. Reliability test of lead-free solders and solder joints // Equipment for Electronic Products Manufacturing. -2005. -№12. -P. 51-55.

32. ГОСТ 28830-90. Соединения паяные. Методы испытаний на растяжение и длительную прочность. -М.: Из-во стандартов, 1990.-43 с.

33. А. Н. Чеканов. Надёжность неразъёмных соединений / Под ред. A.M. Гуськов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 77 с.

34. Александровская JI. Н., Афанасьев А. П., Лисов А. А. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем. — М.: Логос, 2003.-206 с.

35. Jiang Yan-feng, Zhang Xiao-bo. The Interfacial Reactions and Reliability with Lead-free Solders // Journal of Shanhaijiaotong University. -2007. -Vol 41, №4.-P. 71-74.

36. Хансен M., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М.: Издательство Металлургия. — 1970. —'Т.1. —1487 с.

37. Dirnfeld S.F., Ramon J.J. Microstructure Investigation of Copper-tin Intermetallics and the Influence of Layer Thickness on Shear Strength // Welding Research Supplement. -New York, 1990. -P. 373-377.

38. Билибин К.И., Соловьев B.A. Проектирование технологических процессов в производстве электронной аппаратуры / Под ред. П.Б. Оганджанян, Г.И. Ревунков. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 73 с.

39. Фомин А.В. Методы оценки и оптимизации конструкторско-технологических характеристик качества микроэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры. -М.: Из-во МАИ, 1969. 66 с.

40. Wang Zongjie, Lu Lin, Wang Min. Optimal design of multi-element lead-free soft solder with computer // Journal of Shenyang University of Technology. -2005. -Vol27, №6. -P. 615-618.

41. Адлер Ю. Л., Маркова E.B., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. —2-е изд.,перераб.и доп.-М.: Наука, 1976.-278 с.